Черные дыры

Очевидно, что если тело движется к черной дыре непосредственно вдоль радиуса, то, какую бы скорость оно ни имело, оно врежется в черную дыру и не улетит в космос.

Более того, нам теперь известно, что если тело будет двигаться хоть и не прямо по радиусу к черной дыре, но орбита его пройдет на достаточно близком расстоянии от черной дыры, то оно будет гравитационно захвачено. Следовательно, чтобы вырваться из окрестностей черной-дыры, мало иметь скорость больше второй космической, надо еще, чтобы направление этой скорости составляло с направлением на черную дыру угол больше некоторого критического значения. Если угол будет меньше, тело гравитационно захватится, если больше (и скорость равна второй космической), то улетит в космос. Значение этого критического угла зависит от расстояния до черной дыры. Чем дальше от нее, тем меньше критический угол. На расстоянии нескольких гравитационных радиусов надо уже точно “прицелиться” в черную дыру, чтобы быть ею захваченной.

Наконец, скажем несколько слов еще об одном важном процессе, возникающем при движении тел в поле черной дыры. Речь идет об излучении гравитационных волн. Теория тяготения Эйнштейна предсказывает их существование.

Что же представляют собой эти волны, носящие столь экзотическое название. Они подобны электромагнитным, которые являются быстро меняющимся электромагнитным полем, “оторвавшимся” от своего источника и распространяющимся в пространстве с предельно большой скоростью -- скоростью света. Точно так же гравитационные волны являются изменяющимся гравитационным полем, “оторвавшимся” от своего источника и летящим в пространстве со скоростью света.

Известно, чтобы обнаружить электромагнитную волну, достаточно в принципе взять электрически заряженный шарик и наблюдать за ним; когда на него станет падать электромагнитная волна, шарик придет в колебательное движение. Но чтобы обнаружить гравитационную волну, одним шариком не обойтись. Потребуется минимум два, помещенных на некотором расстоянии друг от друга (заряжать их электричеством, конечно, не нужно). При падении на них гравитационной волны шарики будут то несколько сближаться, то удаляться. Измеряя изменение расстояния между ними, можно обнаружить волны тяготения. А почему нельзя обойтись одним шариком? -- может спросить читатель.

Дело заключается в следующем. Если на шарик не действуют никакие посторонние силы, то он находится в поле гравитационной волны в состоянии невесомости. На шарике не ощущается никаких сил тяготения, и поэтому невозможно обнаружить проходящую гравитационную волну. Ситуация точно такая же, как у космонавтов в кабине космического корабля на орбите. Находясь в невесомости, они не могут обнаружить и тем более измерить гравитационное поле. Два шарика, находясь на некотором отдалении, подвергаются воздействию поля чуть-чуть по-разному, и между ними возникает относительное движение. Вот это относительное движение и можно измерить.

В случае электромагнитных волн для их обнаружения не обязательно брать даже шарик -- существуют разные типы электромагнитных антенн. В случае же гравитационных волн придуманы тоже разные конструкции гравитационных антенн.

Но все выглядит относительно просто только теоретически. На самом деле в сколь-нибудь привычных для нас условиях возникающие гравитационные волны крайне слабы: они должны излучаться при ускоренных движениях массивных тел. Но даже при движении небесных тел излучение гравитационных волн ничтожно. Так, при движении планет в Солнечной системе излучается гравитационная энергия, равная мощности всего лишь сотни электрических лампочек. Хотя это число и может показаться большим по нашим земным меркам, оно ничтожно по сравнению, скажем, с мощностью светового излучения Солнца, которое в сто тысяч миллиардов раз больше (число записывается единицей с двадцатью тремя нулями). Попытки же создать лабораторные излучатели гравитационных волн пока и вовсе обречены на неудачу.

Скажем, можно сделать излучатель гравитационных волн в виде быстро вращающегося стержня. Если взять стальную болванку длиной 20 метров, массой 500 тонн и раскрутить ее до предела на разрыв центробежными силами (частота вращения при этом около 30 герц), то она будет излучать всего одну десятитысячную миллиардной миллиардной доли эрга в секунду.

Приведенные примеры показывают, насколько трудны попытки обнаружения гравитационных волн. В прямых экспериментах на Земле эти волны пока не обнаружены, хотя в разных лабораториях мира построены и строятся уже десятки гравитационных антепн, предназначенных для приема волн тяготения из космоса. Пионером этой работы был американский экспериментатор Д. Вебер в конце 50-х -- начале 60-х годов. У нас в стране работа по созданию гравитационных антенн наиболее интенсивно ведется в Московском университете под руководством В. Брагинского.

Хотя, как уже сказано, с помощью антенн на Земле пока гравитационные волны не обнаружены, однако некоторые астрономические наблюдения прямо показывают, что гравитационные волны излучаются при движении небесных тел. Что же это за наблюдения?

Дело заключается в следующем. Как мы уже знаем, при движении планет или, например, движении звезд в двойных звездных системах излучаются гравитационные волны, уносящие энергию. Эти потери энергии обычно очень малы. Но чем больше масса движущихся небесных тел и меньше расстояние между ними, тем интенсивнее излучение. Потери энергии в системе двойной звезды приводят к постепенному сближению звезд и уменьшению периода их обращения вокруг центра масс. Конечно, это происходит крайне медленно, и тем не менее с помощью специальных способов наблюдения такое уменьшение периода в одном случае удалось зафиксировать, причем в точном согласии с предсказаниями теории Эйнштейна. Мы не будем здесь рассказывать об астрономических наблюдениях подробнее, так как это увело бы нас далеко в сторону.

Вернемся к движению тела вокруг черной дыры по круговой орбите. При этом будет происходит излучение гравитационных волн и постепенное уменьшение радиуса орбиты. Так будет продолжаться до тех пор, пока радиус не примет критического значения трех гравитационных радиусов. На меньших расстояниях, как мы знаем, движение уже неустойчиво. Следовательно, тело, достигнув критической орбиты, сделав еще несколько оборотов и излучив некоторое количество энергии, “свалится” с этого расстояния в черную дыру.

Какое общее количество энергии излучит тело в виде гравитационных волн за все время, пока оно двигалось вокруг черной дыры по окружности с медленно уменьшающимся радиусом? Излучение происходит, как мы видели, крайне мало интенсивно, но сам процесс этот длится долго! Таким образом, полное количество излученной энергии будет велико. Чтобы показать ее, приведем такое сравнение. Известно, что при ядерных превращениях, например, водорода в гелий или в еще более тяжелые элементы, определенная доля массы превращается в энергию. Максимально во всех видах реакций эта доля может составить около одного процента. В случае же излучения гравитационных волн при движении вокруг черной дыры излучается энергия в шесть раз больше!

Мы видим, что в принципе даже таким простейшим способом можно было бы использовать черные дыры как источник энергии. Конечно, практически такая машина почти бесполезна. Дело л том, что гравитационные волны крайне слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому выделяющуюся в виде гравитационных волн энергию было бы очень трудно уловить и использовать для практических нужд: гравитационные волны рассеивались бы в космическом пространстве. В дальнейшем мы увидим, что существуют другие способы использования гигантской гравитационной энергии черных дыр.

2.3 ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СВЕТ

Мы уже знаем, что поле тяготения влияет на свет. Оно заставляет фотоны менять свою частоту и искривляет траекторию лучей. Чем ближе к черной дыре, тем сильнее искривление траектории. На рисунке 4 приведены пути лучей света, исходящих с разных расстояний от черной дыры (перпендикулярно к ее радиусу). Мы видим, что существует критическая окружность с радиусом в полтора гравитационных радиуса. (О ней мы уже упоминали в предыдущем разделе.) По этой окружности фотон, удерживаемый на окружности мощным тяготением черной дыры, вполне может двигаться. Однако это движение неустойчиво. Малейшее возмущение -- и он либо упадет на черную дыру, либо улетит в космос.

Наличие критической окружности для фотонов ведет к тому, что свет, проходящий достаточно близко к черной дыре, будет ею гравитационно захвачен (это изображено на рисунке 5). Луч, подходящий вплотную к окружности размером в полтора гравитационных радиуса, неограниченно навивается на нее, а подходящий еще ближе упирается в черную дыру.

При движении около черной дыры меняется и частота колебаний световых волн. Чем ближе фотоны к черной дыре, тем сильнее возрастает частота колебаний. При удалении от черной дыры частота колебаний световых волн уменьшается. На значительном расстоянии от черной дыры эти изменения невелики и значительны только вблизи сферы Шварцшильда.

2.4 “ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ НЕ ИМЕЮТ ВОЛОС”

До сих пор мы говорили только о черных дырах, возникающих при сжатии сферических тел и обладающих поэтому сферически симметричным полем тяготения. А какая черная дыра возникает при сжатии не сферического, например сплюснутого, тела? Мы пока будем говорить только о невращающихся телах, оставив вопрос о вращении до следующего раздела.

Итак, до сжатия тело имело не сферическое гравитационное поле. Означает ли это, что возникнет сплюснутая черная дыра со сплюснутым полем тяготения? Долгое время ответ на этот вопрос был неизвестен, и эту задачу решили лишь сравнительно недавно. На самом деле никаких сплюснутых или других несимметричных черных дыр существовать не может. Дело в том, что в ходе сжатия, когда размеры тела приближаются к гравитационному радиусу, происходит интенсивное излучение гравитационных волн. Оказывается, что при этом все отличия поля тяготения от строгой сферичности уменьшаются и “излучаются” в виде гравитационных волн.

В первый момент после возникновения черная дыра имеет действительно искаженную, сплюснутую форму. Но эта дыра не может сохраняться постоянно во времени. Подобно тому, как пленка мыльного пузыря, если бы мы его растянули, а потом отпустили, быстро принимает сферическую форму, точно так же граница “искаженной” черной дыры быстро принимает гладкую сферическую форму. Все “лишнее” излучается в вдде гравитационных волн. В результате возникает совершенно сферически симметричная черная дыра с совершенно сферически симметричным внешним полем тяготения Шварцшильда, которое характеризуется только одной величиной -- массой тяготеющего центра.

Таким образом, черные дыры могут быть и большие (массивные) и маленькие, но во всем остальном они совершенно подобны друг другу. Возникает тогда вопрос, а что будет, если сжимающееся тело обладало электрическим зарядом, то есть имело вокруг себя, помимо гравитационного, еще электрическое, или магнитное, или, наконец, какое-либо еще поле? Будет ли возникшая из этого тела черная дыра также обладать этими полями?

Исследование вопроса привело к крайне интересному выводу. Оказалось, что все виды физических полей в ходе релятивистского коллапса будут излучены или погребены в самой черной дыре. Исключение составляет только поле электрического заряда. При сжатии оно, так же как и сферическое гравитационное поле, вовсе не меняется и остается вокруг возникшей черной дыры.

Итак, при релятивистском коллапсе сколь угодно сложного не вращающегося тела, окруженного электрическим, магнитным и другими полями, возникает черная дыра со свойствами, полностью характеризуемыми всего двумя параметрами -- массой, от которой зависит сила внешнего гравитационного поля, и электрическим зарядом, характеризующим электрическое поле. Все другие отличительные особенности материи, которая образовала черную дыру, как бы исчезают. Никакие измерения или опыты над черной дырой не помогут ответить на вопрос, возникла ли она, например, из вещества или антивещества, обладало ли вещество магнитным полем и т. д. И это свойство “забывания” всех признаков определяется опять же тем, что никакие сигналы из черной дыры во внешнее пространство не выходят.

Если мы оставим в стороне явление электрического заряда, которое несущественно для небесных тел, то в качестве характеристики, определяющей свойства черной дыры, остается только ее масса. Все черные дыры одинаковой массы являются точными копиями друг друга. Такая безликость черных дыр послужила поводом уже знакомому нам американскому физику-теоретику Д. Уиллеру сказать, что “черные дыры не имеют волос”.

Установление факта безликости было трудной задачей. Здесь тоже была и своя предыстория и история, как и при теоретическом предсказании черных дыр.

Упомянем лишь о двух работах, выполненных в середине 60-х годов. При создании первой я был лишь свидетелем, а во второй принимал участие сам. Первая работа была сделана советским физиком академиком В. Гинзбургом. Он рассматривал вопрос о том, каково будет магнитное поле звезды, если ее сжимать до все меньших размеров. Оказалось, что если звезду сжать почти до гравитационного радиуса и на этом остановиться, то вблизи самой поверхности звезды магнитное поле необычно возрастет. При дальнейшем сжатии точно к гравитационному радиусу напряженность магнитного поля у поверхности стремилась бы к бесконечности! Но это абсурд! Я помню, с каким подъемом и волнением рассказывал В. Гинзбург об этом в Астрономическом институте имени П. К. Штернберга, а потом с каким энтузиазмом специалисты обсуждали эти выводы. Значение работы было огромно. Ведь если предположение о наличии магнитного поля у черной дыры ведет к абсурду (а так получилось!), значит, никакого магнитного поля у черной дыры не может быть вовсе! Все магнитное поле должно быть излучено или погребено внутри дыры!

Это был очень неожиданный вывод, с которым специалисты не сразу освоились.

Вторая работа касалась возможности возникновения сплюснутой черной дыры. Я тогда только что окончил учебу и работал в группе, созданной академиком Я. Зельдовичем. Поскольку на протяжении уже нескольких лет меня волновала проблема сплюснутой черной дыры, я рассказал о ней моему руководителю, а заодно и моему сверстнику, тоже начинавшему работать во вновь созданной группе, А. Дорошкевичу. Все трое мы всесторонне начали исследовать проблему. Стиль работы у нас был разный, и, удачно дополняя друг друга, мы выполнили большой объем работ.

Вскоре обнаружилось, что, если бы возникла сплюснутая, как репа, или, наоборот, вытянутая, как огурец, черная дыра, то сплюснутость или вытянутость ее должны были бы быть бесконечными! Это означает, например, что в случае сплюснутости длина экватора черной дыры была бы бесконечной. Но это, конечно, абсурд! Отсюда мы сделали вывод, что никаких сплюснутых или вытянутых дыр быть не может. Все отклонения от сферичности должны, излучаясь в виде гравитационных волн, исчезать!

Обе упомянутые работы отличает одна общая черта: мы пришли к выводу, что поля должны излучаться в ходе возникновения черной дыры. Такой вывод покажется чрезмерно смелым. Ведь сам процесс излучения мы не рассчитывали, мы этого тогда еще просто не могли делать, так как не был создан соответствующий математический аппарат.

Но вывод о результате процесса излучения был абсолютно надежен потому, что иной вел бы к абсурду. Это интересный пример того, как можно делать надежные заключения о последствиях явления, рассчитать которое не было возможности.

Только шесть лет спустя американский теоретик Р. Прайс, а затем и многие другие провели расчеты самого процесса излучения полей.

Они, естественно, полностью подтвердили правильность наших заключений.

Следствием расчетов Р. Прайса и других авторов было установление любопытного факта: все поля, которые в принципе могут быть излучены, излучаются действительно в ходе возникновения черной дыры.

Только два вида их никогда не излучаются -- это сферическое поле тяготения и сферическое поле электрического заряда (если таковой есть). Именно они остаются у возникшей черной дыры. Еще об одном исключении сказано в следующем разделе.

Среди физиков известны “законы Чизхолма”. Они в шуточной форме отражают далеко не шуточные трудности, возникающие при проведении физических экспериментов и при работе со сложными физическими приборами. Первый из “законов Чизхолма” читается так: “Все, что может испортиться, -- портится”. По аналогии с этим, Р. Прайс сформулировал свой вывод так: “Все, что может излучиться, -- излучается”.

В начале этого раздела мы специально оговаривали, что рассматриваем черные дыры, возникающие только из невращающихся тел. Эта оговорка не случайна.

Дело в том, что вращающееся тело при коллапсе приводит к вращающейся черной дыре. Как мы увидим в следующем разделе, вращение приводит к определенным изменениям в поле тяготения и поэтому служит третьим (и последним) параметром (помимо массы и электрического заряда), который характеризует черную дыру.

2.5 ГРАВИТАЦИОННЫЙ ВИХРЬ ВОКРУГ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

По теории Ньютона, гравитационное поле никак не зависит от движения вещества. Так, поля тяготения неподвижного шара и вращающегося совершенно одинаковы, если только одинаковы их массы. По теории Эйнштейна, это не так: поля тяготения рассматриваемых шаров будут несколько отличаться. В чем же оно заключается?

Наиболее наглядно (но несколько упрощенно) можно себе представить это отличие, как если бы вокруг вращающегося тела возникало добавочное вихревое гравитационное поле, увлекающее за собой все тела в круговое движение. Дело происходит таким образом, как будто слои пространства медленно вращаются вокруг такого тела, причем угловая скорость их вращения зависит от расстояния: она мала вдали и нарастает с приближением к вращающемуся телу Для обычных небесных тел эти эффекты ничтожно малы. Проще всего их обнаружить, помещая вблизи вращающегося тела гироскоп. Если тело не вращается, то гироскоп будет указывать неизменное направление в пространстве по отношению к далеким звездам. (Широко известно использование гироскопов, например, для ориентации космических кораблей.) Однако вблизи вращающегося тела гироскоп медленно поворачивается.

Так, вблизи поверхности вращающейся Земли гироскоп поворачивается примерно на десятую долю угловой секунды в год. Конечно, такая ничтожная скорость поворота гироскопа не может помешать ориентации космических кораблей. Более того, экспериментально этот эффект пока и не обнаружен.

У поверхности нейтронных звезд, о которых мы уже говорили в главе 1, угловая скорость вращения гироскопа может быть весьма большой, всего лишь в несколько раз меньше скорости вращения самой нейтронной звезды. А сами нейтронные звезды могут вращаться со скоростью в несколько десятков и более оборотов в секунду. Таким образом, гироскоп вблизи такой быстро вращающейся звезды может совершать много оборотов в секунду! Что будет происходить с этой вихревой компонентой поля тяготения при релятивистском коллапсе звезды?

Оказывается, она не будет изменяться так же, как не меняется и сферическое поле тяготения.

Вихревое поле тяготения звезды полностью определяется величиной, которую физики называют моментом импульса тела. Для обычной звезды эта величина примерно равна произведению скорости вращения на экваторе, массы звезды и ее радиуса.

Таким образом, при коллапсе вращающегося тела возникает вращающаяся черная дыра. Что означает вращение черной дыры? Оно означает наличие вокруг черной дыры вихревого поля тяготения, оставшегося после коллапса, или, как его иногда называют, гравитационного вихря. Чем ближе к черной дыре, тем сильнее вихревое поле.

К чему это приводит?

Прежде всего, вращение несколько сплющивает черную дыру у полюсов, подобно тому, как вращение сплющивает Землю и звезды. Напомним, что без вращения форма дыры была бы точно сферической. Но не это главное. Без вращения гравитационная сила обращалась в бесконечность на сфере Шварцшильда. Эта сфера и была границей черной дыры, или, как говорят физики, горизонтом, из-под которого ничто вылетать не может. При наличии вращения это не так. Тяготение обращается в бесконечность вне горизонта, на поверхности, получившей название границы эргосферы. Положение этой границы показано на рисунке 6. Она отстоит тем дальше от границы черной дыры, чем быстрее вращение, по далеко от нее отойти не может. На границе эргосферы и под ней уже никакая сила не может удержать проникшее туда постороннее тело в покое. Оно будет увлекаться вихревым полем в движение относительно черной дыры. Однако в отличие от тел, находящихся под сферой Шварцшильда (в отсутствие вращения), где они неудержимо падали к центру, здесь, под границей эргосферы, все тела вовлекаются во вращательное движение вокруг черной дыры. При этом они вовсе не обязательно двигаются к центру: могут и приближаться к черной дыре, и удаляться от нее, могут пересекать границу эргосферы, двигаясь и внутрь и наружу.

Спрашивается, как же гравитационная сила действует на них под границей эргосферы, если уже на границе величина ее равна бесконечности?

Здесь мы должны напомнить то, что уже говорили при обсуждении силы тяготения, действующей на поверхности Шварншильда

Сила тяготения бесконечна на границе только для неподвижного тела, а если тело движется ускоренно, то сила будет иная. При круговом движении вокруг черной дыры в том же направлении, что и направление вращения черной дыры, сила и на границе эргосферы, и внутри ее оказывается конечной. Поэтому те то может внутри границы эргосферы двигаться по окружности, не падая на центр. Таким образом, при наличии вращения предел статичности (то есть граница области, где возможен покой тела по отношению к черной дыре) резко отличается от сферы Шварцшильда в случае отсутствия вращения.

Мы видим, что граница эргосферы вовсе не является границей черной дыры, раз из-под этой поверхности можно выйти наружу. Посмотрим, что же будет при дальнейшем приближении к черной дыре.

Продвигаясь вглубь, мы достигаем наконец границы черной дыры -- горизонта. На этой поверхности и под ней тело (и любые частицы, и свет) движется только внутрь черной дыры. Здесь движение наружу невозможно, и никакая информация не может выйти к внешнему наблюдателю из-под этого горизонта. Именно пространство между горизонтом и пределом статичности и называют эргосферой. Там сила тяготения заставляет все тела кружить вокруг черной дыры. Если медленно приближать гироскоп к поверхности эргосферы, его угловая скорость вращения будет все увеличиваться, стремясь на самой поверхности к бесконечности (для неподвижного гироскопа).

Как же для внешнего наблюдателя будут протекать события при падении какого-либо тела с большого расстояния к вращающейся черной дыре?

Падая на черную дыру, тело сначала отклонится в своем движении в сторону ее вращения, пересечет границу эргосферы и постепенно приблизится к горизонту. На горизонте все тела имеют одну и ту же угловую скорость обращения, в какое бы место поверхности горизонта ни попало падающее тело. Это очень важное свойство вращающейся черной дыры. В самой эргосфере угловая скорость движения тел может быть разной, но, попадая на поверхность черной дыры, они имеют уже одинаковую угловую скорость, вращаются вместе с поверхностью

черной дыры, как бы прилепленные к поверхности вращающегося твердого тела.

Для внешнего наблюдателя получаемый от них свет быстро становится все более красным и менее интенсивным, затем полностью затухнет, и они станут невидимыми для внешнего наблюдателя: что происходит под горизонтом, он не видит. Если же сам наблюдатель будет свободно падать во вращающуюся черную дыру, то он за конечное время достигнет горизонта, как и в случае невращающейся дыры, и будет продолжать падать внутрь. Оставим пока этого наблюдателя и вернемся во внешнее пространство -- в окрестность черной дыры.

Вращение черной дыры не может быть сколь угодно большим. Дело в том, что она не сможет возникнуть, если тело вращалось слишком быстро. Действительно, при сжатии тела, достаточно быстро вращающегося, на экваторе возникают центробежные силы, которые препятствуют его сжатию в плоскости экватора. Тело может продолжать сжиматься только вдоль полюсов. Но тогда оно превратится в “блин” радиусом, много большим гравитационного радиуса, и, следовательно, никакой черной дыры не возникнет. Максимально возможным вращение черной дыры станет тогда, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.

У вращающейся черной дыры меняются и законы небесной механики. Так, вспомним явление гравитационного захвата тел черной дырой. Если дыра вращается, то легче всего ею будут захватываться частицы, которые вблизи черной дыры летят в сторону, противоположную вращению, и с гораздо большим трудом -- частицы, летящие мимо черной дыры в сторону вращения. Наглядно можно себе представить это так, как если бы вихревая компонента гравитационного поля вокруг черной дыры действовала бы подобно праще -- ускоряя и отбрасывая тем самым частицы, движущиеся мимо черной дыры в ту же сторону, что и закручивающийся вихрь этого поля, и, наоборот, тормозя и захватывая частицы, движущиеся против вихря.

Еще один пример изменения законов небесной механики. В случае обращения тела по круговой орбите вокруг максимально быстро вращающейся черной дыры в виде гравитационных волн может излучиться в семь раз больше энергии, чем при движении вокруг невращающейся черной дыры.

ГЛАВА 3. ЭНЕРГИЯ ИЗ ГРАВИТАЦИОННОЙ БЕЗДНЫ

3.1 БЕЗДОННЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Мы уже неоднократно говорили, что излучение гравитационных волн телом, кружащимся около черной дыры, является способом получения энергии. Но это не есть способ извлечения энергии из самой черной дыры, а только энергии, связанной с кружащимся телом. Ведь в конце концов само тело (и часть гравитационных волн) падает в черную дыру, не извлекая, а увеличивая ее массу, а значит, и энергию.

Возникает вопрос: а нельзя ли придумать какой-нибудь процесс, уменьшающий массу черной дыры и тем самым черпающий ее энергию?

На первый взгляд этого сделать нельзя, ибо из черной дыры ничто но выходит, значит, из-под горизонта нельзя извлечь энергию. Это верно. Но мы упустили в этом рассуждении, что часть энергии (а значит, и массы) вращающейся черной дыры, связанная именно с вращением, находится, образно говоря, вне черной дыры и заключена в вихревой компоненте ее поля. Вот эту “вращательную” часть энергии и можно, оказывается, отнять от черной дыры, уменьшив ее массу. Как это сделать?

Представим себе следующий экспсрилюпт. В эргосфору большой вращающейся черной дыры попадает ракета с выключенными двигателями. Она движется вокруг черной дыры в сторону ее вращения. Вблизи черной дыры пилот включает реактивные двигатели, выбрасывающие струи газов. Можно так изменить движение ракеты, что газы упадут в черную дыру, а ракета, ускорившись, с огромной скоростью вылетит из эргосферы, как бы выброшенная “пращой” гравитационного вихря. Огромная скорость ракеты будет намного превышать ту скорость, с которой ракета подлетала к эргосфере, и будет намного больше, чем изменение скорости, вызванное кратковременной работой двигателя. Что же произошло?

Вспомним, что вокруг черной дыры существует вращательный гравитационный вихрь. Ракетный двигатель заставил перейти ракету на такую новую орбиту, где она, подхваченная этим вихрем, была вышвырнута с огромной скоростью из эргосферы. Энергия, унесенная ракетой, получена от вихря, то есть от “вращательной” энергии черной дыры. Вращение черной дыры при этом уменьшается. Соответственно становится меньше и полная масса черной дыры (на величину, унесенную ракетой). Этим-то способом и можно “черпать” энергию из вращающейся черной дыры.

Столь необычный процесс был открыт английским физиком-теоретиком Р. Пенроузом. Но черпаемая при этом только “вращательная” энергия находится, как подчеркивалось, в вихревом поле вне черной дыры.

Что же касается площади горизонта, а она и характеризует размеры самой черной дыры, то описанный процесс приводит к некоторому ее увеличению, так как газы из двигателя ракеты, упавшие в черную дыру, вносят в нее дополнительную массу и увеличивают тем самым ее размеры.

Наибольшее количество “вращательной” энергии черной дыры ракета может унести (при одинаковой продолжительности работы ее двигателей) в том случае, когда двигатели включаются у самого горизонта. В этом случае площадь горизонта не меняется (такие процессы получили название обратимых). Подобные включения двигателя на горизонте можно повторять многократно, и таким образом можно отнять у черной дыры “вращательную” энергию, не меняя ее собственного размера.

Что же касается вопроса о возможности уменьшения размеров горизонта в каких-либо процессах, то на него надо ответить отрицательно. Оказалось, что площадь горизонта черной дыры никогда не уменьшается ни в каких процессах. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то сумма площадей их горизонтов не уменьшается.

Это очень важное свойство. Из него, например, следует, что ни при каких воздействиях черная дыра не может разделиться на две черные дыры. Если бы такое произошло, то при сохранении энергии сумма площадей горизонтов возникших дыр должна была бы быть меньше площади исходной черной дыры. Следовательно, как бы ни раздирали черную дыру приливные гравитационные силы, какими бы другими способами мы на нее ни воздействовали, “разодрать” ее на части нельзя.

Сливаться же черные дыры могут. Например, две движущиеся навстречу друг другу черные дыры сталкиваются “лоб в лоб” и сливаются в одну. При этом возникающая черная дыра будет иметь площадь горизонта больше суммы площадей горизонтов сталкивающихся дыр.

Итак, никакие процессы не уменьшают размеры черных дыр.

Черные дыры после своего возникновения являются как бы бездонными пропастями, которые нельзя никак уменьшить, нельзя ничем заполнить и нельзя ничем “заткнуть” -- они являются вечными “дырами” в пространстве и времени, способными только увеличиваться за счет падающего в них вещества. Это все растущие гравитационные бездны...

На самом деле, как мы увидим в дальнейшем, все это не столь мрачно. Во-первых, черные дыры, находящиеся в реальных условиях, благодаря своему огромному полю тяготения способны вызвать весьма бурные процессы, а, во-вторых, квантовые процессы (которых мы до сих пор не касались) вносят коррективы в нарисованную здесь картину. Но об этом подробнее будет сказано дальше.

3.2 ГРАВИТАЦИОННАЯ БОМБА

До сих пор, рассматривая процессы вокруг черной дыры и способы извлечения из нее энергии, мы убедились, что эту энергию можно извлечь либо в форме излучения гравитационных волн, либо в виде кинетической энергии тел, выбрасываемых из эргосферы. Но оказывается, существуют еще более удивительные и неожиданные способы использования черных дыр как генераторов энергии.

Представим себе, что вращающаяся черная дыра облучается электромагнитными волнами. Что при этом будет происходить? На первый взгляд ничего интересного. Часть волн будет гравитационно захватываться черной дырой и навсегда в ней исчезать. Остальные, проходящие вблизи черной дыры, искривят свои траектории и уйдут дальше. Изменение направления распространения волн называют рассеянием. Рассеянные электромагнитные волны, уйдя вдаль от черной дыры, будут иметь ту же частоту, какую они имели, когда приближались к ней. Конечно, частота волн при движении вблизи черной дыры в сильном гравитационном поле менялась. Когда волны двигались к черной дыре, их энергия увеличивалась, частота возрастала -- волны испытывали фиолетовое смещение. Затем, при удалении от черной дыры, они испытывали красное смещение, и в итоге вдали от черной дыры их частота возвращалась к исходному значению.

Итак, общая картина получается следующей: при облучении черной дыры часть электромагнитных волн попадает в нее, а часть рассеивается с той же частотой, которая была до рассеивания. Из-за того, что часть их навсегда захватывается черной дырой, интенсивность рассеянных волн меньше, чем первоначальная интенсивность облучающего пучка.

Пока все выглядит тривиально. Но возможна, оказывается, ситуация, когда интенсивность рассеянных электромагнитных волн будет больше, чем облучающих. Для этого необходимо, во-первых, чтобы черная дыра вращалась, ибо только вращательная энергия может от нее отбираться. Во-вторых, необходимо, чтобы частота электромагнитных волн, облучающих черную дыру, была меньше частоты вращения черной дыры. В таком случае рассеянные электромагнитные волны будут более интенсивными, чем падающие. Этот процесс усиления получил название суперрадиации. Он был открыт академиком Я. Зельдовичем. Суперрадиация, по существу, аналогична ранее рассмотренному нами процессу увеличения энергии тела, выбрасываемого из эргосферы и отнимающего “вращательную” энергию черной дыры (при суперрадиации также отнимается “вращательная” энергия черной дыры). Следует отметить, что при облучении вращающейся дыры электромагнитными волнами усиление их не очень велико: максимум всего на 4,4 процента.

Явление суперрадиации проявляется при облучении черной дыры не только электромагнитными волнами, но и. другими видами излучений. Так, будут усиливаться, например, низкочастотные гравитационные волны, падающие на вращающуюся черную дыру. Причем условие возникновения суперрадиации для всех видов излучений одно и то же -- достаточно малой должна быть частота волн. Коэффициент усиления для различных видов излучений оказывается различным. Так, для гравитационных волн он составляет 138 процентов, то есть гораздо больше, чем для электромагнитного излучения.

Но вернемся к электромагнитным волнам.

Окружим вращающуюся черную дыру искусственной сферой, отражающей электромагнитные волны. Пусть внутри этой сферы имеется хотя бы ничтожное количество электромагнитных волн, для которых выполнено условие возникновения суперрадиации. Эти волны, падая на черную дыру, усиливаются и уходят вдаль от черной дыры. Здесь они встречают отражающую сферу, отражаются и снова устремляются к черной дыре, где вновь усиливаются. Процесс повторяется снова и снова, а энергия усиливающегося излучения лавинообразно нарастает.

Если в отражающей сфере сделать отверстие, то часть усиливающихся волн будет через него выходить наружу, и тем самым наша установка станет генератором электромагнитного излучения, в котором “вращательная” энергия черной дыры непосредственно трансформируется в электромагнитное излучение.

Допустим теперь, что никакого отверстия в отражающей сфере нет и вся сфера полностью отражает усиливающееся электромагнитное излучение. Тогда процесс роста электромагнитной энергии внутри такой установки будет катастрофически продолжаться, пока давление излучения не разорвет отражающую сферу, то есть произойдет взрыв. Подобная конструкция была названа гравитационной “бомбой”.

Отметим, что создание подобных гравитационных конструкций, генерирующих электромагнитную энергию, сейчас совершенно немыслимо, так как мы не способны создавать искусственно черные дыры путем сверхсильного сжатия вещества, а естественные находятся, как увидим очень далеко в космосе.

3.3 ЗА КРАЕМ ГРАВИТАЦИОННОЙ БЕЗДНЫ

До сих пор мы говорили о процессах вокруг черной дыры. Обратимся теперь к самому захватывающему и интригующему: попробуем подойти к границе черной дыры -- к краю этой бездонной пропасти (ее нельзя ничем заполнить) и попытаемся заглянуть внутрь.

Впрочем, мы знаем, что слово “заглянуть” здесь неуместно. Увидеть, что происходит внутри черной дыры невозможно, даже достигнув ее границы. Для этого необходимо последовать внутрь черной дыры. В принципе это возможно, например, при простом свободном падении (находясь в космическом аппарате) в поле тяготения черной дыры. За конечное собственное время такого падающего наблюдателя он достигнет горизонта и будет продолжать падать дальше.

Но мы уже знаем, что такое путешествие будет иметь для космонавта самые серьезные последствия. Ведь из черной дыры ничто не возвращается, ничто не выходит во внешнее пространство. Никогда не сможет вернуться и космонавт, какой бы мощностью ни обладали ракетные двигатели его аппарата. Он не сможет также и послать нам какое-либо сообщение о своих наблюдениях (хотя и может продолжать получать сообщения от нас). И тем не менее в принципе такое путешествие возможно. Что же ждет его внутри черной дыры? Прежде чем отправиться вместе с космонавтом, вспомним еще одно гравитационное явление, хорошо всем известное. Речь идет о приливных гравитационных силах. Эти силы проявляются потому, что все тела, находящиеся в поле тяготения, имеют некоторые размеры. А поля тяготения всегда неоднородны, и разные точки притягиваемых тел испытывают несколько различную силу тяготения.

Пусть тело находится в поле тяготения планеты. Точки тела, находящиеся ближе к планете, будут испытывать более сильное тяготение, чем точки, отстоящие дальше. Эта разность сил тяготения и называется приливной силой, стремящейся растянуть, разорвать тело. Приливная сила тем больше, чем резче меняется поле тяготения от точки к точке. Такая “разностная” сила проявляется и при свободном падении тела, и при покое. В этом отношении она резко отличается от действия самого тяготения, которое не проявляется в состоянии свободного падения.

Разумеется, в обычных условиях, скажем, в кабине космического корабля, летящего вокруг Земли, приливные силы ничтожны, незаметны. Незаметны они и для обычных тел на поверхности Земли. Но они пропорциональны размерам тел. Поэтому проявляются (и весьма заметно) для всей Земли, подвергающейся тяготению со стороны Луны. Рассматриваемые силы вызывают приливы в океанах, откуда и произошло их название.

Но вернемся к наблюдателю, падающему в черную дыру. Поместим сначала его на поверхность звезды, которая находится в состоянии релятивистского коллапса. Противоборствующие силы давления вещества звезды при этом практически уже не оказывают никакого сопротивления нарастающей гравитации, поверхность звезды пересекает гравитационный радиус и продолжает сжиматься дальше. Процесс остановиться не может, и за короткий промежуток времени (по часам наблюдателя на поверхности звезды) эта поверхность сожмется в точку, а плотность вещества станет бесконечной. Достигается, как говорят физики, сингулярное состояние. Чем оно характеризуется? Не вдаваясь в тонкости, ответим на этот вопрос так: при приближении к сингулярности приливные гравитационные силы стремятся к бесконечности. Это означает, что любое тело (в том числе и наш воображаемый наблюдатель) будет разорвано. То же самое ожидает и любое тело, падающее в черную дыру уже после сжатия звезды, оно также достигает сингулярности. Можно ли как-нибудь избежать падения в сингулярность, если тело уже находится под горизонтом?

Оказывается, нет. Падение в сингулярность неизбежно. Как бы космонавт ни маневрировал на своей ракете, как бы ни были мощны двигатели, ракета быстро упадет в сингулярность.

Самое “долгое” время, которое ракета может просуществовать внутри черной дыры после пересечения горизонта, равно примерно времени, за которое свет проходит расстояние, равное размеру черной дыры. Это короткий миг. Для дыры с массой в десять масс Солнца максимально “долгое” время существования равняется всего одной стотысячной доле секунды.

Чтобы просуществовать это максимально “долгое” время, космический корабль должен осуществить следующий маневр. При падении в черную дыру нужно включить на полную мощность двигатель при подлете к горизонту так, чтобы почти остановиться у самого горизонта. После этого необходимо выключить двигатель и дать кораблю свободно падать вдоль радиуса (от горизонта до сингулярности). Время такого падения и будет максимальным временем существования. Любые попытки космонавтов как-то затормозить с помощью включения двигателя падение внутрь черной дыры или попытки направить корабль в орбитальное движение приведут только к тому, что корабль упадет в сингулярность за более короткий промежуток времени (по часам космонавта).

Как же так может быть? -- спросит читатель. Ну, хорошо, согласимся, что работа двигателей не в состоянии побороть огромную силу тяготения внутри черной дыры и остановить ракету, но все же торможение должно хоть немного замедлить падение, сделать его более продолжительным? И уж тем более это торможение не ускорит падения!

И тем не менее внутри черной дыры это возможно. Дело в том, что, включая двигатели, космонавт разгоняет свою ракету (назовем ее А} по отношению к свободно падающей ракете (ракета Б). Но на разгоняющейся ракете, как мы напоминали, время течет медленнее. А внутри черной дыры этот фактор оказывается решающим. Ракета А все равно падает в сингулярность. Но из-за того, что часы на ней шли существенно медленнее с точки зрения ракеты Б, то и весь процесс падения занял по часам А меньше времени. Идя медленнее, часы А “нати-кают” меньше секунд (или долей секунды), то есть с точки зрения этих часов падение было менее продолжительным! Вот такой парадокс.

Вернемся теперь к проблеме приливных сил тяготения. Давайте сравним приливные силы, которые действуют на космонавтов в кабине космического корабля на орбите вокруг Земли и на космонавта, падающего в черную дыру.

В первом случае приливные силы растягивают тело космонавта совершенно незаметным образом, их действия соответствуют давлению одной десятимиллиардной доле атмосферы.

При падении же в черную дыру эти силы огромны даже еще на ее границе. Оказывается, чем меньше масса и размер дыры, тем больше приливные силы на горизонте. Для дыры с массой в тысячу масс Солнца приливные силы соответствуют давлению ста атмосфер. Такие нагрузки человеческое тело уже выдержать не может. Для меньших черных дыр приливные силы на границе еще больше...

Следовательно, если черная дыра имеет массу меньше тысячи солнечных, то человек, приблизившись к ней, не может остаться в живых.

Разумеется, при падении космического корабля даже в очень большую черную дыру, на границе которой человеку не угрожает опасность быть разорванным приливными силами, корабль в конце концов начнет неудержимо падать к сингулярности, а тогда неограниченно нарастающие приливные силы все равно рано или поздно разорвут любое тело. Таким образом, не желая кончать жизнь самоубийством, космонавт не станет по собственной инициативе проникать в черную дыру.

Мы рассмотрели столь ужасный мысленный эксперимент, чтобы показать суть основного явления, возникающего внутри черной дыры, -- безудержный рост приливных сил, заканчивающихся сингулярностью. Почему это так важно?

Дело в том, что в окрестности самой сингулярности огромные приливные силы приводят к изменению физических законов, установленных в условиях, далеких от столь экстремальных. Мы познакомимся с некоторыми из них во второй части книги. Сейчас только скажем, что в сингулярности пространство и время не только “искривляются” сильнейшим образом, но и утрачивают, вероятно, свой непрерывный характер, распадаются на отдельные неделимые более промежутки -- кванты. Мы не будем детальнее останавливаться на этом, во-первых, потому, что читатель и так, наверное, устал от попыток представить себе столь необычные вещи, а, во-вторых, потому, что теоретики еще сами толком не знают точно, что там происходит. Это самый передний край гравитационной пауки.

Но уже то, что достоверно известно о “внутренности” черной дыры, крайне интересно.

Эти знания -- плод большой и сложной работы многих теоретиков в разных странах мира.

Одна из самых больших трудностей состояла в том, чтобы выяснить, что происходит внутри черной дыры в реальном случае, а не в какой-то идеализированной ситуации. Чем отличается случай реальный от идеализированного? К идеализации теоретики прибегают для того, чтобы упростить уравнения, которые они решают. Например, предполагали, что сжимается идеально сферическая без малейший отклонений от шаровой формы звезда. Для такой идеализированной задачи уравнения неизмеримо проще, чем в общем случае. Их удалось решить и исследовать “внутренность” возникающей сферической черной дыры. Но даже после получения решения потребовались десятилетия, чтобы физики окончательно осознали структуру этой “внутренности”.

А в' действительности звезда никогда не может быть идеально сферической. В ходе сжатия отклонения от сферичности нарастают. Что будет в этом случае? Прямые методы решения уравнении здесь помочь не могли. Общих решений уравнений нет. Для получения ответа потребовалось настоящее математическое остроумие. Когда знакомишься с подобного рода работами, всегда остается загадкой: как можно додуматься до столь необычного пути решения вопроса? Очень хорошо об этом сказал открыватель законов планетных движений И. Кеплер: “Пути, которыми люди проникают в суть небесных явлений, представляются мне почти столь же удивительными, как и сами эти явления”. Первый успех был достигнут английским теоретиком Р. Пенроузом. Он показал, что при сжатии реального неосферического тела внутри образовавшейся черной дыры неизбежно возникает сингулярность, то есть область с бесконечными приливными силами тяготения. Невозможность избежать возникновения сингулярности внутри черной дыры, как показал Р. Пенроуз, следует, по существу, из факта невозможности начертить на бумаге карту всей сферической Земли так, чтобы все точки, близкие на поверхности Земли, были близки и на карте. Мы знаем, что на единой карте мира мыс Дежнева, например, и Аляска часто изображаются на противоположных концах карты, а в действительности они рядом. Вот к этому хорошо знакомому факту Р. Пенроуз остроумно и свел доказательство. Но обязательно ли все тела, упавшие в реальную черную дыру, упадут и в сингулярность? Много теоретиков пыталось разобраться в этом. Мы начинали решать эту проблему вместе с А. Дорошкевичем в середине 70-х годов, затем работали над ней с молодым физиком А. Старобинским и американскими теоретиками. Теперь этот вопрос в основном исчерпан -- удалось доказать, что падение в сингулярность неизбежно.

Напомним еще раз, что о всех событиях, протекающих внутри черной дыры, наблюдатель, оставшийся вне ее, знает, так сказать, только теоретически. Он не может получить о них никаких сведений, никаких сигналов из-под горизонта черной дыры. Вот как поэтично говорит об этом знаменитый индийский физик, живущий в США, лауреат Нобелевской премии С. Чандрасекхар: “Исследуя явления, связанные с горизонтами событий и невозможностью передавать через них информацию, я часто повторял про себя сказку о природе, которую слышал в Индии лет пятьдесят назад. Сказка эта называлась “Не потерялась, а просто исчезла” и повествовала о личинках стрекоз, живущих на дне пруда. Их постоянно мучила одна загадка: что происходит с ними, когда, став взрослыми, они поднимаются к поверхности пруда, проходят через нее и исчезают, чтобы больше никогда не вернуться? Каждая личинка, ставшая взрослой и готовящаяся подняться наверх, обязательно обещает вернуться и рассказать оставшимся внизу подругам о том, что же происходит наверху. Ведь только так удастся подтвердить или опровергнуть слухи, распространенные лягушкой:

будто бы личинка, пересекающая поверхность пруда и оказавшаяся по другую сторону привычного мира, превращается в удивительное существо с длинным стройным телом и сверкающими крыльями. Но, выйдя из воды, личинка превращается в стрекозу, которая, увы, не может проникнуть под поверхность пруда, сколько бы она ни пыталась и как бы долго ни парила над его зеркальной поверхностью. И в летописи, которую ведут личинки, нет ни одной строки о личинке, которая возвратилась бы и рассказала, что же происходит с теми, которые пересекали границу их мира. И сказка оканчивается жалобой: "Неужели ни одна из нас, хотя бы из жалости к тем, кого мы бросили внизу, не вернется и не раскроет секрет?”

3.4 НЕТ НИЧЕГО ПРОЩЕ И СЛОЖНЕЕ, ЧЕМ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Итак, мы познакомились с физикой черных дыр, с тем, что происходит в их окрестностях и что может происходить внутри самих дыр. Читатель, наверное, согласится с тем, что черные дыры -- совершенно исключительные объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Это не тела в обычном смысле слова и не излучение. Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле.

В предыдущих разделах мы в то же время показали,” что черные дыры являются в некотором смысле и очень простыми объектами. Их свойства никак не зависят от свойств сколлапсировавшего вещества, от всех сложностей строения вещества, его атомной структуры, находящихся в нем физических полей, не зависят от того, было ли вещество водородом или железом и т. д. При образовании черной дыры для внешнего наблюдателя все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, они не влияют ни на границу черной дыры, ни на что другое во внешнем пространстве, остается только гравитационное поле, характеризуемое лишь двумя параметрами -- массой и вращением (как мы уже говорили, присутствие глобального электрического заряда несвойственно небесным объектам). Этим определяются и форма черной дыры, и ее размеры, и все остальные ее свойства. Так что с полной определенностью можно сказать, что нет ничего проще черной дыры: человеческое тело, например, несравненно сложнее, -- его двумя числами, как черную дыру, не охарактеризуешь.

По поводу такой удивительной простоты черных дыр американский физик Кип Тори как-то воскликнул: “Представьте себе, что мы могли бы судить о всех особенностях характера женщины только по ее весу и цвету волос!”

Но и нет ничего более сложного, чем черная дыра, -- ведь человеческое воображение даже не в состоянии представить себе, до какой степени происходит искривление пространства и изменение течения времени, что в них возникает дыра. Изучение физики черных дыр позволяет расширить наши познания о фундаментальных свойствах пространства и времени. Как мы увидим в дальнейшем, в окрестности черных дыр возникают, например, квантовые процессы, обнаруживающие сложнейшую структуру так называемого физического вакуума. Еще более мощные (катастрофически мощные) квантовые процессы происходят внутри самой черной дыры (в окрестности сингулярности). Экспериментальное открытие черных дыр в природе было бы чрезвычайно важным для естествознания. Мы смогли бы изучать новые законы, управляющие свойствами пространства и времени в сильных гравитационных полях, новые законы, управляющие движением материи в необычных условиях. Образно говоря, черные дыры -- это дверь в новую, широчайшую область нашего познания физического мира.